【裸露的奇異點】

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【裸露的奇異點】

 

【撰文／約希（Pankaj S. Joshi）；翻譯／李沃龍】
 

 

(照片提供/科學人)
 

重點提要

 

■ 傳統看法認為大質量恆星最終會坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預測那會形成所謂的「裸奇點」，這是天文物理上懸而未決的重要問題。

 

■ 裸奇點的發現會為物理學上的統一理論提供直接的觀測，對該理論的影響甚鉅。

 

現代科學已把許多奇怪的概念昭告天下了，但其中最詭異的，莫過於大質量恆星到達其生命盡頭時所面臨的命運。

 

在燃燒了億萬年後，恆星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，於是開始災難性的崩塌。

 

像太陽這類大小適中的恆星會在崩塌成較小體積時，再度穩定下來；

 

但若是質量更大的恆星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恆星從原本數百萬公里的大小，塌縮成比英文字母“ i ”上的一點還微小。

多數物理學家與天文學家認為這個結果就是黑洞──一種具有強大重力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天體。

 

黑洞的核心是個奇異點（singularity），恆星上頭所有的物質都縮進了這個體積無限小的點，環繞在奇異點周邊的就是物質無從逃脫的空間，其邊界稱為「事件視界」。

 

任何物體一旦進入事件視界之內，就永遠無法離開這個區域，就連物體所發出的光也會陷落其中，因此外界的觀測者再也看不到它。

 

墜入的物體最終將撞毀在奇異點上。

然而這個描述是否真確？

 

從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點會形成，但不怎麼確定事件視界的存在。

 

大部份物理學家採行的假設是視界必須存在，只因為以視界做為科學的屏障是非常誘人的概念。

 

物理學家尚未完全釐清奇異點上究竟怎麼了：物質是被壓垮了，但變成了什麼呢？

 

事件視界將奇異點藏匿起來，也阻隔了我們對它的探索；

 

奇異點上可能發生各種未知的事情，但對外界不產生任何效應。

 

天文學家在描繪行星與恆星軌道時，完全不必考慮奇異點的影響，因為不論在黑洞裡發生什麼事情，都只會留在黑洞裡。

但是，越來越多的研究質疑著這個一向被視為理所當然的假設。

 
在許多關於恆星坍塌的學說中，事件視界並未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前，物理學家稱它為「裸奇點」，物質與輻射可墜入也可彈出這個區域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞裡的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點後全身而退，並敘述你此行的見聞。

假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在，在奇異點附近發生的神秘事情將會衝擊外在的世界。

 
裸奇點可以用來解釋天文學家已觀測到卻無法解釋的高能現象，並提供了一個探索時空最精細結構的實驗室。

 
不准偷看奇異點！

奇異點顯然是個神秘的東西，它們是重力強度無限大的地方，已知的物理定律在此完全失效。

 

根據物理學家目前對重力的理解，奇異點潛藏在愛因斯坦的廣義相對論裡，無可避免地會在巨大恆星崩塌的過程中產生。

 

廣義相對論無法解釋主導著微觀世界的量子效應，而量子效應必將介入恆星坍塌的過程，以防止重力強度真的變成無限大，但物理學家對發展出可用來解釋奇異點的量子重力理論，仍一籌莫展。

相較之下，要解釋在奇異點周圍發生的事情，似乎較為直接而容易。

 

恆星的事件視界大小可達數公里，遠大於量子效應的尺度，假設沒有其他新的作用力介入，應可單純地用廣義相對論來解釋。

 

廣義相對論所根據的是我們已經非常了解的原理，而且已通過了90年的觀測驗證。

雖然如此，要將理論套用到恆星坍塌的現象，仍是件艱鉅的工作。

 

愛因斯坦的重力方程式是出了名的複雜，物理學家必須做些簡化的假設才能順利解出。

 

美國物理學家歐本海默（J. Robert Oppenheimer）與史奈德（Hartland S. Snyder）在1930年代末期首開先例，為了簡化方程式，他們只考慮完美的球狀恆星，並假設它們是由密度均勻的氣體所構成，且氣體壓力忽略不計。

 

他們發現當這類理想恆星坍塌時，表面的重力會持續增加，最終強大到足以圈捕住所有的光與物質，形成事件視界，恆星不再能被外界觀測者看到，之後更迅速塌縮成奇異點。

 

另外，印度物理學家達特（B. Datt）也獨立做出同樣的結果。

當然，真實的恆星複雜多了。

 

它們的密度並不均勻，而且氣體會施加壓力，同時有各種形狀。

 

是否每個質量夠大的恆星都會變成黑洞呢？

 

1969年，英國牛津大學的物理學家彭若斯（Roger Penrose）認為答案是肯定的。

 

他推測在恆星坍塌時，需形成事件視界才能形成奇異點，由於總是被視界遮住，大自然並不允許我們窺看奇異點。

 

彭若斯的猜想被稱為宇宙審查假說，雖然只是個猜測，卻鞏固了現代黑洞研究。

 

物理學家希望能夠以嚴謹的數學來證明這個假說，就像當初證明奇異點是不可避免的那樣。

 

裸奇點的誕生

 

然而這樣的期望並沒有實現。

 

我們沒有提出任何關於宇宙審查假說的直接證明，反而開始一一分析重力坍塌的各種狀況，藉著增加理想化模型所欠缺的性質，逐漸讓我們的理論模型更準確。

 

1973年，德國物理學家塞費德（Hans Jürgen Seifert）與同事考慮了密度不均勻的恆星。

 

非常有趣的是，他們發現密度不同的各層物質在坍塌時，彼此會有交互作用而短暫地產生不被視界遮蔽的奇異點。

 

在眾多不同的奇異點類型中，這種奇異點算是相當溫和的，雖然密度會在某處變得無限大，重力強度卻不會，所以奇異點並未將墜入的物體擠壓成一個無限小的點。

 

因此，廣義相對論沒有失效，而物質也可以行經該處，而非步入終點。

1979年時，美國加州大學聖巴巴拉分校的爾德黎（Douglas M. Eardley）與伊利諾大學香檳分校的斯馬爾（Larry Smarr）更進一步以數值計算，模擬具有真實密度剖面（中心密度最高並逐漸向表面遞減）的恆星，蘇黎士瑞士聯邦理工學院的克利斯托杜洛（Demetrios Christodoulou）則在1984年以紙筆重複相同的計算。

 

這兩項研究結果都一樣，恆星體積收縮成零，並產生裸奇點。

 

但此模型仍忽略了壓力，所以當時在英國約克大學的紐曼（RichardP.A.C. Newman）再度證實了這種奇異點的重力並不強勁。

受到這些發現的激勵，包括我在內的許多研究人員試圖制定一個嚴格的定理：裸奇點的重力一定很微弱。

 

然而我們並沒有成功，原因很快就被釐清了：裸奇點並不都是微弱的。

 

我們發現了許多不均勻坍塌的學說，可產生具有強大重力、能真正將物質擠壓至無形的奇異點，同時可被外界看見。

 

當時任職於印度阿格拉大學的兌偉諦（Indresh Dwivedi）與我，於1993年發展出在不考慮氣體壓力下對恆星坍塌的一般分析，釐清並確認了這些觀點。

1990年代早期，物理學家開始考慮氣體壓力的效應。

 

以色列技術學院的歐瑞（Amos Ori）與耶路撒冷希伯來大學的皮蘭（Tsvi Piran）進行數值模擬，而我的團隊則精確解出相關的方程式，證實了具備真實密度與壓力關係的恆星，是能夠塌縮成裸奇點的。

 

約莫同時，義大利米蘭理工大學的馬格利（Giulio Magli）與日本大阪市立大學的中尾健一的兩支團隊，都將塌縮的恆星內由粒子旋轉所產生的一種特殊型態的壓力加入計算，也顯示了在許多情況下，坍塌都會產生裸奇點。

【欲閱讀完整的豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】

引用：http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_MAIN_ID=77f_SUB_ID=234&f_ART_ID=180793